Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University21610.18323/2073-5073-2017-3-59-64Technical SciencesТехнические наукиREGARDING THE SPECIAL ASPECTS OF CRACKS GROWTH IN A VISCO-ELASTIC MATERIAL WITH THE EXTENDED HIERARCHIC STRUCTUREОБ ОСОБЕННОСТЯХ РОСТА ТРЕЩИН В ВЯЗКО-УПРУГОЙ СРЕДЕ С РАЗВИТОЙ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙKalachevVasiliy AleksandrovichКалачевВасилий Александрович
Russian Federation

graduate student of Institute of Natural Sciences and Mathematics

студент-магистрант Института естественных наук и математики

gelian.fox@gmail.comPanfilovPetr EvgenievichПанфиловПетр Евгеньевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, senior researcher of Institute of Natural Sciences and Mathematics

доктор физико-математических наук, профессор, старший научный сотрудник Института естественных наук и математики

peter.panfilov@urfu.ruZaytsevDmitriy ViktorovichЗайцевДмитрий Викторович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), assistant professor of Institute of Natural Sciences and Mathematics

доктор физико-математических наук, доцент Института естественных наук и математики

dmitry.zaytsev@urfu.ruUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, YekaterinburgУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург29092017359641403202214032022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/216

The study of physical mechanisms of rock materials destruction allows obtaining the information necessary for the development of new technologies for mining and processing of minerals. Furthermore, such knowledge makes it possible to assess in real-life conditions the influence of external factors, for example, water, on the strength characteristics of mine workings and constructions, including the underground ones. The authors study the deformation behavior and special aspects of the destruction of small-sized specimens cut from the model viscoelastic materials – rock materials (carbonaceous quartzite, serpentinite, and artificial sandstone) under the diametrical compression – indirect stretching. Laboratory studies and subsequent modeling of the structure and properties of rock materials performed on small-sized specimens make it possible to solve the task not attracting the expensive test equipment and without violating the integrity of the specimens. During the study, small-sized specimens in the form of cylinders were produced from model viscoelastic materials. The mechanical properties of carbonaceous quartzite, serpentinite, and artificial sandstone specimens were estimated in the initial state and after a 24-hour water soak test. The study showed the influence of water on the change of a type of the specimens’ deformation behavior. The authors mapped the specimens’ side surfaces and created the topograms of the working surfaces before and after the tests. Based on them, the metallographic analysis of the geometric characteristics of cracks was performed at the macro- and microscopic levels. It was suggested that the change of a type of deformation behavior of rock materials, as well as the decrease in the strength properties of test rock materials specimens under the influence of water, are explained by the Rehbinder effect mechanisms.

Изучение физических механизмов разрушения горных пород позволяет получать информацию, необходимую при разработке новых технологий добычи и переработки полезных ископаемых. Также такие знания дают возможность оценить влияние внешних факторов, например воды, на прочностные характеристики горных выработок и сооружений, в том числе и подземных, в реальных условиях. В работе изучается деформационное поведение и особенности разрушения малогабаритных образцов, вырезанных из модельных вязко-упругих материалов – горных пород (углистого кварцита, серпентинита и искусственного песчаника) при диаметральном сжатии – непрямом растяжении. Лабораторные исследования и последующее моделирование структуры и свойств горных пород, выполненные на малогабаритных образцах, дают возможность решить поставленную задачу, не привлекая дорогостоящее испытательное оборудование и не нарушая целостности образцов. В ходе исследования были изготовлены малогабаритные образцы в форме цилиндров из модельных вязко-упругих материалов. Оценены механические свойства образцов углистого кварцита, серпентинита и искусственного песчаника в исходном состоянии и после суточной выдержки в воде. Показано влияние воды на изменение типа деформационного поведения образцов. Выполнено картирование боковых поверхностей образцов, и составлены топограммы рабочих поверхностей до и после испытаний. На их базе проведен металлографический анализ геометрических характеристик трещин на макро- и микроскопическом уровне. Выдвинуто предположение, что изменение типа деформационного поведения горных пород, а также снижение прочностных свойств исследуемых образцов горных пород под влиянием воды объясняется механизмами эффекта Ребиндера. 

rock materialssmall-size specimensdiametral compressionmechanical propertiescracksRehbinder effectгорные породымалогабаритные образцыдиаметральное сжатиемеханические свойстватрещиныэффект РебиндераРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 15-19-10007. Авторы благодарят Алексея Николаевича Кочанова (ИПКОН РАН, Москва) и Юрия Аршавировича Костандова (Крымский федеральный университет, Симферополь) за обсуждение результатов.Evseev V.D. The nature of the Rehbinder’s effect at rocks destruction. Neftyanoe khozyaystvo, 2011, no. 11, pp. 38–40.Евсеев В.Д. Природа эффекта Ребиндера при разрушении горных пород // Нефтяное хозяйство. 2011. № 11. С. 38–40.Evseev V.D. On the possibility of using the Rehbinder effect when drilling wells. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov, 2010, vol. 317, no. 1, pp. 165–169.Евсеев В.Д. О возможности использования эффекта Ребиндера при бурении скважин // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2010. Т. 317. № 1. С. 165–169.Adushkin V.V., Turuntaev S.B. Tekhnogennye protsessy v zemnoy kore (opasnosti i katastrofy) [Technogenic processes in the Earth’s crust (dangers and catastrophes)]. Moscow, INEK Publ., 2005. 252 p.Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенные процессы в земной коре (опасности и катастрофы). М.: ИНЭК, 2005. 252 с.Protosenya A.G. Limit state of fluid saturated rocks and stability assessment of oil and gas boreholes. Neftyanoe khozyaystvo, 2015, no. 2, pp. 23–27.Протосеня А.Г. Предельное состояние насыщенных горных пород и прогноз устойчивости добывающих скважин // Нефтяное хозяйство. 2015. № 2. С. 23–27.Dolgy I.E., Nikolaev N.I. Resistance of rocks to crushing during well drilling. Zapiski gornogo instituta, 2016, vol. 221, pp. 655–660.Долгий И.Е., Николаев Н.И. Сопротивление горных пород разрушению при бурении скважин // Записки горного института. 2016. Т. 221. С. 655–660.Kuksenko V.S., Damaskinskaya E.E., Kadomtsev A.G. Fracture of granite under various strain conditions. Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 2011, vol. 47, no. 10, pp. 879–885.Куксенко В.С., Дамаскинская Е.Е., Кадомцев А.Г. Характер разрушения гранита при различных условиях деформирования // Физика Земли. 2011. № 10. С. 25–31.Gogolin V.A. Deformation and strength characteristics brittle rock under compression. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2016, no. 3, pp. 3–8.Гоголин В.А. Деформационные и прочностные характеристики хрупких горных пород при сжатии // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. № 3. С. 3–8.Stavrogin A.N., Tarasov B.G. Eksperimentalnaya fizika i mekhanika gornykh porod [Experimental physics and mechanics of rocks]. Sankt Petersburg, Nauka Publ., 2001. 343 p.Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб.: Наука, 2001. 343 с.Dobrynin V.M., Vendelshteyn B.Yu., Kozhevnikov D.A. Petrofizika (Fizika gornykh porod) [Petrophysics (Physics of Rocks)]. Moscow, Neft i gaz Publ., 2004. 368 p.Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика (Физика горных пород). М.: Нефть и газ, 2004. 368 с.Anders M.H., Laubach S.E., Scholz C.H. Microfractures: A review. Journal of Structural Geology, 2014, vol. 69, part B, pp. 377–394.Anders M.H., Laubach S.E., Scholz C.H. Microfractures: A review // Journal of Structural Geology. 2014. Vol. 69. Part B. P. 377–394.Briševac Z., Kujundžić T. Models to estimate Brazilian indirect tensile strength of limestone in saturated state. Rudarsko-geološko-naftni zbornik, 2016, pp. 59–67. DOI: 10.17794/rgn.2016.2.5.Briševac Z., Kujundžić T. Models to estimate Brazilian indirect tensile strength of limestone in saturated state // Rudarsko-geološko-naftni zbornik. 2016. P. 59–67. DOI: 10.17794/rgn.2016.2.5.Ron H. Vernon: A practical guide to Rock Microstructure. Cambridge, Cambridge University Press, 2004. 579 p.Ron H. Vernon: A practical guide to Rock Microstructure. Cambridge: Cambridge University Press, 2004. 579 p.McClintock F., Argon A.S. Deformatsiya i razrushenie materialov [Mechanical behavior of materials]. Moscow, EE Media Publ., 2012. 501 p.Макклинток Ф., Аргон А.С. Деформация и разрушение материалов. М.: ЁЁ Медиа, 2012. 501 с.Argon A.S. Strengthening mechanisms in crystal plasticity. Oxford, Oxford University press, 2008. 425 p.Argon A.S. Strengthening mechanisms in crystal plasticity. Oxford: Oxford University press, 2008. 425 p.Briševac Z., Kujundžić T., Čajić S. Current Cognition of Rock Tensile Strength Testing By Brazilian Test. The Mining-Geology-Petroleum Engineering Bulletin, 2015, pp. 101–111. DOI: 10.17794/rgn.2015.2.2.Briševac Z., Kujundžić T., Čajić S. Current Cognition of Rock Tensile Strength Testing By Brazilian Test // The Mining-Geology-Petroleum Engineering Bulletin. 2015. P. 101–111. DOI: 10.17794/rgn.2015.2.2.Silberschmidt V.G., Silberschmidt V.V. Analysis of Cracking in Rock Salt. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2000, vol. 33, no. 1, pp. 53–70.Silberschmidt V.G., Silberschmidt V.V. Analysis of Cracking in Rock Salt // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2000. Vol. 33. № 1. P. 53–70.Briševac Z., Kujundžić T. Models to estimate the Brazilian indirect tensile strength of limestone in saturated state. The Mining-Geology Petroleum Engineering Bulletin, 2016, pp. 59–67.Briševac Z., Kujundžić T. Models to estimate the Brazilian indirect tensile strength of limestone in saturated state // The Mining-Geology Petroleum Engineering Bulletin. 2016. P. 59–67.Zaytsev D.V., Panfilov P.Y., Kochanov A.N., Panteleev I.A. Influence of the scale effect in testing the strength of rock samples. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2017, vol. 81, no. 3, pp. 337–340.Зайцев Д.В., Кочанов А.Н., Пантелеев И.А., Панфилов П.Е. О влиянии масштабного фактора при испытаниях на прочность образцов горных пород // Известия РАН. Серия физическая. 2017. Т. 81. № 3. С. 366–369.Zaytsev D.V., Kochanov A.N., Toktogulov Sh.Zh., Panteleev I.A., Panfilov P.E. Influence of scale effect and heterogeneity of rocks to determine their strength. Gorniy informatsionno-analiticheskiy bulleten, 2016, no. 11, pp. 208–215.Зайцев Д.В., Кочанов А.Н., Токтогулов Ш.Ж., Пантелеев И.А., Панфилов П.Е. Влияние масштабного эффекта и неоднородности горных пород при определении их прочностных свойств // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 208–215.Sukhonos S.I. Masshtabniy effect – nerazgadannaya ugroza [Scale effect – unsolved threat]. Moscow, Noviy Tsentr Publ., 2001. 68 p.Сухонос С.И. Масштабный эффект – неразгаданная угроза. М.: Новый Центр, 2001. 68 с.